Milyen tényezők határozzák meg a szuperkritikus CO2 ciklus hatékonyságát és alkalmazhatóságát?

A szuperkritikus szén-dioxid (sCO2) ciklusok hatékonysága és teljesítménye számos műszaki és termodinamikai tényezőtől függ, amelyeket részletesen modelleznek és értékelnek a THERMOFLEX programban. Az sCO2 tulajdonságainak pontos meghatározásához a REFPROP csomagot használják, amely a termodinamikai paramétereket megbízhatóan számítja ki. A turbina és az átmeneti kompresszor egy tengelyen forognak a szinkron váltakozó áramú generátorral és a sebességváltóval, amelynek hatásfoka 98,5%, míg a teljes generátor és sebességváltó rendszer hatásfoka 97,5%.

A ciklus működési sebessége 27 000 fordulat/perc, a generátor szinkron sebessége 3600 fordulat/perc, ami megfelel az 60 Hz-es elektromos hálózatnak. A fő kompresszor saját motorral működik, ami elkülöníti az erőátvitelt a turbinától. Az sCO2 tömegárama körülbelül 2200 kg/s, míg a gázfűtésű kazánnál tiszta metánnal (100% CH4) dolgoznak, a fűtőanyag bemeneti oldali hőmérséklete és az égéstermék hőmérséklete optimális körülmények között biztosítja a hatékony hőátadást.

A termodinamikai hatásfokot az ideális Carnot-ciklushoz viszonyítva határozzák meg, amely a maximális hőmérséklet (760 °C) és az ambiens hőmérséklet (15 °C) figyelembevételével mintegy 72,11%. A valós sCO2 ciklus hatásfoka ezzel szemben eléri az 55,4%-ot, ami azt jelzi, hogy a rendszer jelentős része a rendelkezésre álló hőenergia hasznosítására képes, de a Carnot-közeli teljesítménytől még távol van. Az ideális ciklus Carnot tényezője (a hatásfok aránya a Carnot-hatáshoz) 0,79 körül mozog, amely jónak mondható a gyakorlati alkalmazások között.

A fűtőberendezés hatásfoka, amely az sCO2 hőfelvétel és a tüzelőanyag bemeneti alsó fűtőértékének aránya, jelen esetben 76,3%, amely még nem éri el a modern szénalapú erőművek kazánjainál jellemző 90%-os hatásfokot, de egyúttal jelzi a fejlesztési lehetőségeket.

Az optimalizált ciklusok között szerepel a részleges hűtésű újrakompressziós változat, ahol a szén-dioxidot a prékompresszornál lehűtik, majd újraterhelik, ami jelentősen javítja a teljesítményt. Itt a turbinanyomás arányát 4:1-re növelik, a kilépő nyomás csökkentése mellett. Ez az eljárás a hatásfokot 46% nettó LHV szinten tartja, ami megközelíti a korszerű szuperkritikus szénhidrogén erőművek hatásfokát.

Fontos megérteni, hogy az sCO2 technológia fejlesztése során nem csupán a hatékonyság növelése a cél, hanem a ciklus komplexitásának és beruházási költségeinek optimalizálása is. Az olyan megoldások, mint a részleges hűtés vagy a magasabb nyomásviszonyok, jelentős előrelépést ígérnek, de a hozzájuk kapcsolódó műszaki bonyolultság és költségnövekedés hosszú távú megtérülése még tisztázásra vár.

Az sCO2 ciklusok eredeti tervezési célja a zárt körfolyamatú gázturbinás alkalmazás volt, különösen nukleáris reaktorok esetén, ahol a hőátadás közvetlen vagy közvetett (például olvadt só közvetítőközeggel) módon történik. Ezeknél a rendszereknél a hőforrás jellege és a hőcserélők kialakítása kulcsfontosságú a teljesítmény optimalizálásában. A közvetett hőátadás lehetőségei és a közvetlen hőcsere között választva a fejlesztőknek alapos mérlegelést kell végezniük a megbízhatóság, a hatásfok és a biztonság szempontjából.

Az olvasónak nemcsak a ciklusok műszaki paramétereit kell szem előtt tartania, hanem a rendszerek gazdasági, környezeti és üzemeltetési vonatkozásait is. A fejlesztések során különös figyelmet érdemel az energiahatékonyság, a rendszerkomplexitás, valamint az alkalmazott hűtési technológiák környezeti hatásai. Továbbá, az sCO2 technológia potenciálját és korlátait a jelenlegi energetikai piaci és szabályozási környezetben kell értékelni, hiszen a műszaki innovációk mellett a megvalósíthatóságot a gazdaságosság és fenntarthatóság határozza meg.

Milyen tényezők határozzák meg a Brayton és Atkinson légszabványos ciklusok hatékonyságát?

A Brayton ciklus termodinamikai hatékonysága alapvetően a ciklus teljes nyomásviszonyától (PR) függ, amely a jól ismert izentropikus p-T összefüggésen alapul. A Brayton ciklus hatékonysága az (1) képlet szerint fejezhető ki, ahol a hatékonyság egyedül a nyomásviszony kitevőjének függvénye, amely a levegő fajhőviszonyából származik. A kombinált Brayton ciklus hatékonysága azonban nem csak a nyomásviszonytól, hanem a maximális ciklushőmérséklettől, T3-tól is függ, ami a hagyományos egyszerű Brayton ciklustól eltérően egy plusz szabadsági fokot jelent.

A ciklus elméleti felső határa a Carnot ciklus hatásfoka, amely a forró és hideg hőforrás hőmérsékletei között valósul meg, és ebből adódik a „Carnot tényező” (CF), amely a hőerőgép ciklusának termodinamikai „jósságát” méri. A Brayton kombinált ciklusra ez a tényező a nyomásviszonyok és hőmérsékletek logaritmikus viszonyaiból számítható, jelezve a ciklus hatékonyságának elméleti határát a gyakorlatban használt paraméterek mellett.

Az Atkinson ciklus – amely lényegében egy légszabványos, dugattyús motorhoz hasonló, zárt rendszer – az Otto ciklushoz hasonlóan írható le, de létezik egy, a Brayton ciklus módosításaként ismert Humphrey ciklus, mely a CVHA (Constant Volume Heat Addition) folyamatot alkalmazza, így modellezve a robbanásos turbinát. A hőbevitel ebben a ciklusban állandó térfogaton történik, ami azt jelenti, hogy a hőmérséklet emelkedésével a nyomás is arányosan nő.

Az Atkinson ciklus termikus hatékonysága azonos gázturbinás paraméterek mellett alacsonyabb a Brayton ciklusénál, amely elsősorban az alacsonyabb effektív hőmérséklet különbségből (METH) fakad, valamint abból, hogy az energia nagy részét mechanikai munkaként használja a ciklus nyomásának növelésére. A magasabb prekompresszió ugyan növeli a hatékonyságot, de ezzel együtt a ciklus hőbevitele csökken, illetve a mechanikai megvalósíthatóság korlátait is eléri a túl magas nyomásviszony.

A gyakorlatban ez azt jelenti, hogy az Atkinson (Humphrey) ciklus nem versenyképes a Brayton ciklussal szemben, különösen a kombinált ciklusok hatékonysága tekintetében, ami arra utal, hogy a CVHA gázturbina nem használja ki az ideális légszabványos modellt megfelelően.

Fontos megérteni, hogy a ciklusok hatékonyságát nem csak az egyes hőmérséklet- és nyomásértékek határozzák meg, hanem a ciklus működési módja és az energia átalakulásának mikéntje is. A nyomásviszonyok és hőmérséklet-emelkedések optimalizálása mellett az is lényeges, hogy az energia mechanikai és termikus formái hogyan oszlanak meg, mert ez befolyásolja a ciklus gyakorlati megvalósíthatóságát és hatékonyságát. A komplex rendszertervezésben ezért nem elég az elméleti hatékonyságok ismerete, hanem a működés fizikai és mechanikai korlátainak figyelembevétele is elengedhetetlen.

Érdemes-e bioüzemanyaggal működtetni gázturbinát?

A bioüzemanyagok alkalmazása villamosenergia-termelés céljából gyakran az éghajlatbarát átmenet ígéretével párosul. A közvélemény és a politika hajlamos a biomasszát és az etanolt szén-dioxid-semleges energiaforrásként kezelni, mivel az égetés során kibocsátott CO₂ mennyisége elvileg megegyezik azzal a mennyiséggel, amelyet a növények növekedésük során megkötöttek. Ez az érv azonban több szempontból is megkérdőjelezhető, különösen az etanol és a szilárd biomassza esetében.

Először is, az olyan alapanyagok, mint a kukorica vagy a cukornád, melyekből etanolt állítanak elő, jellemzően egyébként is megteremnének, így azok energetikai célú felhasználása nem zéró összegű folyamat. Másrészt, természetes erdők biomasszává alakítása jelentős üvegházhatású gázkibocsátással jár, a talaj szénkészletének felszabadulása és az élő biomassza kivonása révén. Továbbá a termőföldek átcsoportosítása élelmiszertermelésről bioüzemanyag-termelésre súlyos társadalmi és gazdasági következményekkel járhat az élelmiszerellátás szempontjából.

A gyakorlati példák sem támasztják alá egyértelműen a bioüzemanyagok előnyeit. Brazíliában a General Electric két LM6000 típusú gázturbinát alakított át etanolüzeműre. Bár a technikai megvalósítás sikeres volt, a rendszer 6,7 millió gallon etanolt éget el havonta, ha a két turbina teljes kapacitáson működik. Évi 2 000 üzemórával számolva a CO₂-kibocsátás etanol esetén mintegy 40%-kal magasabb, mint földgáz használatakor. Ugyanakkor az üzemanyagköltségek is sokkal magasabbak: etanol esetén közel 14 millió dollár évente, míg földgázzal, még szén-dioxid-leválasztással együtt is, ez legfeljebb 9,6 millió dollárt jelent, azaz több mint 4 millióval olcsóbb.

A szilárd biomassza – például faapríték vagy pellet – alkalmazása hőerőművekben, különösen zárt körfolyamatú, szuperkritikus szén-dioxidos rendszerekben (sCO₂ ciklus) hatékony alternatívának tűnhet. Egy 300 MW névleges teljesítményű sCO₂ ciklus fa pellettel történő fűtés esetén nettó 45,74%-os hatásfokkal üzemel. A kibocsátott CO₂ mennyisége 788,4 kg/MWh, ami már nem tekinthető elhanyagolhatónak. Fontos megjegyezni, hogy ez a technológia egyelőre fejlesztés alatt áll, kereskedelmi alkalmazása korlátozott.

Az olyan nagy léptékű biomassza-átállások, mint az angliai Drax erőmű esete, ahol korábban szénnel működő blokkokat alakítottak át 100%-ban biomasszára, különösen jól szemléltetik a technikai kivitelezhetőséget. Ugyanakkor a biomassza – például az USA-ból importált fa pellet – logisztikai és környezeti terhei jelentősek. A nagyobb méretű erőművekben fluidizált ágyas vagy entrained bed kazántechnológiát alkalmaznak, míg kisebb léptékben (50 MW alatt) alulról fűtött vagy rostélyos kazánok is használhatók.

A biomassza együttégetése más tüzelőanyagokkal – például szénnel vagy petkoksszal – az egyik leggazdaságosabb és legegyszerűbben bevezethető megoldás, mivel az erőművi infrastruktúra nagyrészt változatlanul maradhat. Ezzel a megközelítéssel az SOₓ és NOₓ kibocsátások is csökkenthetők. A biomassza gázosítása, különösen termikus eljárással, további előnyöket kínál, mivel az így nyert szintézisgáz (szingáz) tisztítható, szűrhető és gázturbinában vagy gőzturbinás kombinált ciklusban is elégethető.

A papír- és cellulóziparban a biomasszából nyert szingázt gyakran alkalmazzák technológiai gőz és villamos energia előállítására. Az anaerob fermentációval nyert biogáz vagy az egyéb hulladék-alapú gázosítási technológiák még inkább megnövelik a tüzelőa

Miért fontos az ammónia és hidrogén energiahatékonysága és felhasználása a jövő energetikájában?

A hidrogén (H₂) rendkívül alacsony sűrűségű gáz, amely szobahőmérsékleten és normál nyomáson kevesebb, mint 0,1 g/l sűrűségű, ezért folyékony halmazállapotba hozása jelentős energiaigénnyel jár, kilogrammonként 6,5–13 kWh között, a folyósítás méretétől és típusától függően. Ezzel szemben az ammónia (NH₃) folyékony halmazállapotban marad már 10 bar alatti nyomáson és légköri hőmérsékleten, így tárolása és szállítása lényegesen egyszerűbb és energiahatékonyabb.

Az ammónia előállításának központi folyamata a Haber-Bosch eljárás, amely a légköri nitrogént és a hidrogént egyesíti egy fém katalizátor jelenlétében, mintegy 100 bar nyomáson és 400–500 °C hőmérsékleten. A reakció exoterm, amely során nitrogén és hidrogén reakciójából ammónia keletkezik. Mivel a nitrogén atomjai erős hármas kötésekkel kapcsolódnak egymáshoz, a katalizátor (tipikusan több komponensű magnetit) elengedhetetlen a reakció megfelelő sebességének biztosításához. A nitrogént általában kriogén levegőleosztó egységből nyerik, míg a hidrogént gázhalmazállapotú szénhidrogének (főként földgáz vagy nafta) gőzreformálásával állítják elő, amely kulcsfontosságú lépés az ammónia gyártásában.

Az ammónia tárolása és szállítása is jelentős előnyökkel bír. Folyékony ammóniát –33 °C-on tárolnak, és hosszú ideje használják csővezetékekben is, amelyek például az Egyesült Államokban mintegy 5000 km hosszúságban állnak rendelkezésre, évente közel 2 millió tonna ammónia (ami mintegy 350 ezer tonna hidrogénnek felel meg) szállítására. Az ammónia csővezetékes nyomása általában 17 bar körül van, mivel az ammónia már 8,6 bar nyomáson folyékony.

Az ammónia alacsony fűtőértékkel rendelkezik (18,6 MJ/kg), amely körülbelül egyhatoda a hidrogénének (120 MJ/kg), viszont égése során nem termel közvetlenül CO₂-t. Ennek ellenére a nitrogén tartalom miatt az égéstermékek között jelentős NOx keletkezik, ami a környezetvédelmi szempontból hátrányos. Az ammónia éghetősége is korlátozott, mivel a levegőben csak 15,5–27% térfogatarányban gyullad be, az auto-gyulladási hőmérséklete magas (630 °C), és a lángterjedési sebessége alacsony, mindezek miatt az ammónia tiszta égése jelentős technikai kihívásokat jelent, különösen alacsony NOx-kibocsátás mellett. Ezért jelenleg intenzív kutatás folyik az ammónia és hidrogén, illetve ammónia és földgáz keverékek tüzelésének fejlesztésére. Az ilyen keverékek előnye, hogy az ammónia hűti a lángot, csökkentve a NOx képződést, míg a hidrogén hozzájárul az égés stabilitásához.

A hidrogén és ammónia energetikai összehasonlítása szerint az ammónia előállítása és tárolása energetikailag kedvezőtlenebb lehet, azonban a szállítás és újragázosítás energiaigényének figyelembevétele esetén az ammónia előnyei kiteljesednek. A teljes energetikai lánc és a technológiai fejlesztések így alapvetően befolyásolják az ammónia és hidrogén alkalmazásának jövőjét az energiaiparban.

Az éghető gázkeverékek hatásait gázturbinákon modellezve megállapítható, hogy az ammónia-metan keverék CO₂-kibocsátását mintegy 30%-kal csökkenti, míg a hidrogén-metan keverék 24%-kal. Ez az eltérés az ammónia alacsonyabb fűtőértékéből és az ebből fakadó nagyobb térfogatáramból ered, ami a turbina beömlő hőmérsékletének csökkenéséhez vezet, így a hatásfok egyszerű ciklusban nő. Ugyanakkor kombinált ciklusban az alacsonyabb kipufogógáz-hőmérséklet miatt enyhén csökkenhet a hatásfok.

Fontos megérteni, hogy az ammónia és hidrogén energetikai alkalmazásának optimalizálása nemcsak az előállítási energiahatékonyságtól függ, hanem a tárolási, szállítási, égési tulajdonságok és környezeti kibocsátások összességétől. Az energiaipar jövője szempontjából kulcsfontosságú a teljes életciklus és a környezeti hatások integrált kezelése, amely magában foglalja az energiaforrások fenntarthatóságát, a technológiai fejlesztések irányát, valamint az emissziócsökkentési lehetőségeket.